棒狀激光器

棒狀激光器是發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的固體激光器結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是增益介質(zhì)呈圓棒狀，工作時(shí)振蕩/放大激光沿介質(zhì)軸向行進(jìn)。2003年日本采用6個(gè)激光頭串接定標(biāo)放大，在注入電功率為52.5 kW時(shí)，獲得了12 kW 的1064nm激光輸出，電光轉(zhuǎn)換效率為23%。

國(guó)內(nèi)研究高功率棒狀激光器的單位主要集中在中科院物理所、中科院福建物構(gòu)所、華北光電所、華中科技大學(xué)、中科院半導(dǎo)體所等單位。2006 年11月中科院半導(dǎo)體所采用三棒串接方式，獲得6 kW 高功率全固態(tài)激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率超過50%，目前輸出功率已超過7.6 kW。

半導(dǎo)體泵浦棒狀激光器

從目前半導(dǎo)體泵浦棒狀固體激光器的發(fā)展來(lái)看，依照其泵浦方式的不同可以分為兩類：端面泵浦棒狀激光器和側(cè)面泵浦棒狀激光器。其各自具備不同的特點(diǎn)。

半導(dǎo)體端面泵浦棒狀激光器

端面泵浦又稱縱向泵浦，是指抽運(yùn)光從晶體棒的端面入射，激光沿晶體棒長(zhǎng)度方向振蕩的抽運(yùn)方式。在端面泵浦方式中，半導(dǎo)體陣列發(fā)出的泵浦光在經(jīng)過一組準(zhǔn)直聚焦透鏡后從晶體的端面入射到晶體中，泵浦光的入射方向與產(chǎn)生的激光振蕩方向一致。只要工作物質(zhì)足夠長(zhǎng)，泵浦光就能全部被吸收，而且泵浦光能與激光振蕩模式相匹配，可以把盡可能多的泵浦光有效地耦合到基模 TEM00模體積中。因此，采用二極管端面泵浦的固體激光器，效率高，輸出光束質(zhì)量好。

目前端面抽運(yùn)已獲得光光轉(zhuǎn)換效率大于 76%的單橫模激光輸出。但是，由于工作物質(zhì)端面面積有限，很難輸入大的泵浦功率，而且會(huì)聚具有較大發(fā)光孔徑的大功率二極管泵浦光比較困難，同時(shí)，受晶體損傷閾值限制，也不可能輸入很大的泵浦功率。再者，在小的泵浦空間內(nèi)產(chǎn)生的熱，會(huì)造成熱透鏡效應(yīng)，而且不易補(bǔ)償，降低了光束質(zhì)量。目前端面泵浦多見于百瓦級(jí)激光器。由上述可知，端面泵浦一般應(yīng)用于中小功率的二極管泵浦固體激光器。

側(cè)面泵浦棒狀激光器

側(cè)面泵浦方式就是讓半導(dǎo)體陣列發(fā)出的泵浦光從工作物質(zhì)的側(cè)面進(jìn)入的泵浦方式。在側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)中，半導(dǎo)體陣列沿激光晶體軸向方向排列，半導(dǎo)體陣列發(fā)出的泵浦光的入射方向與產(chǎn)生的激光振蕩方向垂直。

對(duì)于棒狀激光工作物質(zhì)，側(cè)面泵浦方式更易獲得高功率，連續(xù)激光輸出。在側(cè)面泵浦方式中。泵浦光吸收分布是否均勻，對(duì)提高激光器的輸出功率和光光轉(zhuǎn)換效率有極為重要的影響。

棒狀激光器側(cè)面泵浦結(jié)構(gòu)中常采用反射腔、柱透鏡。為優(yōu)化泵浦結(jié)構(gòu)，本文提出一種新型泵浦組件。新型泵浦組件為管狀（已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)?201110147755.0）有 n（n 為奇數(shù)）個(gè)溝槽，溝槽底部為弧形，具有一定曲率半徑。在溝槽底部鍍有 808nm 增透膜，在外表面兩溝槽之間鍍有 808nm 高反膜。

玻璃管外面開出溝槽，溝槽底部為具有一定曲率半徑的弧形，與玻璃管內(nèi)壁形成凹透鏡結(jié)構(gòu)，對(duì)泵浦光進(jìn)行發(fā)散。對(duì)應(yīng)溝槽底部的曲率半徑不同，從而構(gòu)造出發(fā)散能力不同的凹透鏡結(jié)構(gòu)。根據(jù)環(huán)繞激光棒空間分布半導(dǎo)體陣列數(shù)量的不同，所開溝槽數(shù)目可變。本實(shí)驗(yàn)采用的為經(jīng)過快軸準(zhǔn)直的半導(dǎo)體陣列。半導(dǎo)體陣列發(fā)出的泵浦光，快軸方向可以近似認(rèn)為是平行光。根據(jù)廠家提供商導(dǎo)體陣列性能可知，經(jīng)準(zhǔn)直光束在快軸方向 0.6mm 范圍內(nèi)，包含了泵浦光全部能量。則近似認(rèn)為泵浦光束為厚度為 0.6mm 的平行光。在同時(shí)考慮玻璃管材質(zhì)，玻璃管厚度，冷卻水層厚度，和激光棒尺寸，使用 ZEMAX 軟件對(duì)泵浦光在激光棒內(nèi)分布進(jìn)行模擬。經(jīng) ZEMAX 模擬可以獲得泵浦光經(jīng)過新型玻璃管在激光棒上形成的幾何分布。從而得出符合設(shè)計(jì)要求的泵浦組件參數(shù)。

經(jīng)過 ZEMAX 模擬可得，對(duì)直徑 7mm 棒溝槽底部曲率半徑為 0.7mm；對(duì)于直徑 8mm 棒，溝槽底部曲率半徑為 0.65mm，管壁厚度為 3.5mm。

棒狀激光器棒狀激光介質(zhì)熱效應(yīng)的理論分析

在半導(dǎo)體泵浦棒狀激光器中，由于泵浦光能量未能全部轉(zhuǎn)換成激光輸出，在棒狀激光工作介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生較多的損耗熱，其產(chǎn)生的主要原因有：

(1) 泵浦帶與激光上能級(jí)之間的光子能量差以熱的形式散逸到激光晶體基質(zhì)中，造成量子虧損發(fā)熱。

(2) 激光下能級(jí)與基態(tài)能級(jí)之間的能量差轉(zhuǎn)換為耗散熱。

(3) 因?yàn)榧す廛S遷過程中的熒光量子效率小于 1，所以除了產(chǎn)生激光外，其余能量產(chǎn)生熱。

棒狀激光器棒狀工作介質(zhì)溫度分布

對(duì)于采用側(cè)面泵浦方式的棒狀激光器，激光棒是浸沒在冷卻液中。激光棒所產(chǎn)生的熱通過棒表面流過的冷卻液進(jìn)行冷卻。簡(jiǎn)化分析，可假設(shè)激光棒內(nèi)部發(fā)熱均勻，激光棒光學(xué)無(wú)限長(zhǎng)，表面均勻冷卻。這種情況下熱流僅在徑向，軸向上冷卻液溫度的端面效應(yīng)和小的變化可以忽略。

棒狀激光器棒狀工作介質(zhì)光彈效應(yīng)和熱應(yīng)力雙折射

通過前兩個(gè)小節(jié)的分析可以看出，Nd:YAG 激光工作物質(zhì)中的溫度分布的不均勻會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，進(jìn)一步會(huì)通過光彈效應(yīng)使折射率發(fā)生變化，使原來(lái)的各向同性材料變?yōu)楦飨虍愋?，即產(chǎn)生熱應(yīng)力雙折射。

由于 Nd:YAG 單晶激光晶體是立方晶體，所以其光率體是一個(gè)圓球，但是它在熱應(yīng)力的作用下變?yōu)闄E球?？紤]常用的 Nd:YAG 單晶多用[1 1 1]方向，此時(shí)Nd:YAG 棒的圓柱軸呈[1 1 1]方向，晶體沿著此方向生長(zhǎng)，激光也沿著此方向傳播，因此分析主要考慮[1 1 1]方向的折射率變化。

棒狀激光器棒狀工作介質(zhì)熱焦距測(cè)量方法

對(duì)大功率棒狀固態(tài)激光器而言，熱透鏡效應(yīng)對(duì)激光器性能有較大影響。同時(shí)在固體激光器熱穩(wěn)腔的設(shè)計(jì)中，也需要知道激光棒的熱透鏡焦距值。所以，要獲得激光棒的熱透鏡焦距值。通常測(cè)量熱透鏡焦距的方法有探測(cè)光束法、相干測(cè)量法、橫模拍頻法，利用光斑半徑、發(fā)散角和熱焦距關(guān)系式間接測(cè)量等測(cè)量方法。本文采用一種簡(jiǎn)單的測(cè)量連續(xù)大功率激光器熱透鏡焦距的方法。在大功率激光輸出時(shí)，利用諧振腔的臨界穩(wěn)定條件計(jì)算有效熱透鏡的焦距。平行平面 諧振腔的臨界穩(wěn)定點(diǎn)是對(duì)工作介質(zhì)的熱透鏡敏感函數(shù)?？梢酝ㄟ^激光器的輸出功率測(cè)量，記錄由于有效熱焦距使諧振腔通過特殊臨界穩(wěn)定的點(diǎn)，就能獲得有效地?zé)峤咕嘀怠?

半導(dǎo)體泵浦全固態(tài)激光器的發(fā)展和現(xiàn)狀 1958 年末肖洛(A.L.Schawlow)與湯斯(C.H.Towns)合作提出紅外和光學(xué)激射器的設(shè)計(jì)理念，同年相似的建議也由前蘇聯(lián)的普洛霍羅夫(Prokhorov)和巴索夫(Basov)提出。這些為 1960 年激光器的產(chǎn)生打下了堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)。

在 1964 年，美國(guó) MIT 林肯實(shí)驗(yàn)室的 Keyes 和 Qusit展示了世界上第一臺(tái)激光二極管泵浦的固體激光器，這臺(tái)激光器以GaAs 二極管為泵浦源，工作物質(zhì)是 CaF2U輸出波長(zhǎng)是 2.613μm。由于當(dāng)時(shí)的 LD 必須要冷卻才能獲得激光輸出，因此整個(gè)裝置在液氮中冷卻至 4K。Keyes 和 Qusit 認(rèn)識(shí)到 LD 泵浦方式相對(duì)閃光燈泵浦的優(yōu)點(diǎn)，指出 GaAs 二極管是 Nd激光器的理想泵浦源，這種泵浦方式應(yīng)該比閃光燈泵浦效率更高。

20 世紀(jì) 70 年代，由于半導(dǎo)體工藝仍沒有突破，激光二極管泵浦源的低功率和低轉(zhuǎn)換效率阻礙了全固態(tài)激光器的進(jìn)步。1971 年，Ostermayer等人首次實(shí)現(xiàn)了能夠在室溫條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的激光二極管泵浦 Nd:YAG 激光器，為全固態(tài)激光器的發(fā)展帶來(lái)了曙光。1976 年，Iwamoto利用 super luminescent diodes Nd:YAG,真正實(shí)現(xiàn)了能夠在室溫下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的全固態(tài)激光器。在此期間由于當(dāng)時(shí)LD 的輸出功率很低，與側(cè)面泵浦方式相比，采用端面泵浦方式吸收長(zhǎng)度大，因此可以獲得較高的斜效率，因此端面泵浦獲得較大發(fā)展。

20 世紀(jì) 80 年代，在此期間半導(dǎo)體物理研究有了新的成果，對(duì)半導(dǎo)體激光器的發(fā)展產(chǎn)生了極大的促進(jìn)。半導(dǎo)體激光器采用量子阱（QW），應(yīng)變量子阱（SLQW）技術(shù)和新的晶體生長(zhǎng)工藝包括：分子束外延(MBE)、有機(jī)金屬化合物氣相外延(MOCVD)等，明顯降低二極管激光器的閾值電流、提高其效率和功率，改善其冷卻結(jié)構(gòu)?？蒲腥藛T敏銳發(fā)現(xiàn) DPL 在工業(yè)應(yīng)用上具備廣闊前景，針對(duì)不同的用途 DPL 應(yīng)該具有更多的激光發(fā)射波長(zhǎng)和更多的運(yùn)轉(zhuǎn)方式。例如：高功率連續(xù)激光器需要吸收系數(shù)大且吸收帶較寬，以便充分利用泵浦光提升輸出功率。因此很多新興激光介質(zhì)以及原來(lái)沒有采用LD泵浦方式的激光介質(zhì)被應(yīng)用到全固態(tài)激光器試驗(yàn)中。

20 世紀(jì) 90 年代至今，伴隨高功率二極管激光器技術(shù)的進(jìn)一步成熟，大功率泵浦源的價(jià)格已經(jīng)降到可以接受的水平，全固態(tài)激光器獲得飛速的發(fā)展。全固態(tài)激光器按其工作介質(zhì)形態(tài)大致分為四類：光纖激光器（Fiber laser）、薄片激光器（Thin disk laser）、板條激光器（Slap laser）、棒狀激光器（Rod laser）。 1995 年，德國(guó)漢諾威激光中心的 Golla 采用 108 只輸出功率為 10W 的二極管激光器從 9 個(gè)方向泵浦 Nd:YAG 棒，每只激光二極管前都安裝了 υ3mm 準(zhǔn)直透鏡，將二極管泵浦光耦合進(jìn)聚光腔。通過精確的溫度調(diào)節(jié)，使二極管的輸出波長(zhǎng)控制在 808nm，與 Nd:YAG 晶體的吸收峰相吻合。

1999年，德國(guó)Christian Stewen等人研制了輸出功率為1070W，光－光轉(zhuǎn)換效率為48%的薄片激光器。工作物質(zhì)為厚度200μm、直徑5mm的Yb:YAG薄片。由于薄片太薄，采用16通泵浦耦合系統(tǒng)來(lái)提高泵浦光吸收效率。 2000 年美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL) 的 R.J.Beach 等提出利用透鏡導(dǎo)光錐(LensDuct)端面抽運(yùn)三明治 Yb:YAG 晶體棒獲得千瓦級(jí)輸出的新型結(jié)構(gòu)，堪稱端面抽運(yùn)領(lǐng)域的經(jīng)典之作。該系統(tǒng)的工作物質(zhì)由 2 根直徑為 2mm、長(zhǎng) 50mm 的 Yb:YAG 棒串聯(lián)而成。Yb:YAG 棒的兩端各有一段非摻雜的 YAG 晶體，其作用為：1、使 Yb:YAG 更好的散熱，從而防止 Yb:YAG 端面變形，消除端面破裂的危險(xiǎn)；2、使膜層與 Yb:YAG 隔開一定的距離，減少溫度對(duì)膜層的影響，從而起到保護(hù)膜層的作用。二極管陣列發(fā)出的泵浦光通過傳輸效率為 82%的空心透鏡導(dǎo)管導(dǎo)入到 Yb:YAG 棒內(nèi)。

2003 年日本采用6個(gè)激光頭串接定標(biāo)放大，獲得了12kW 的1064nm 激光輸出。石英管外表面未抽運(yùn)的區(qū)域鍍有高反膜，以增加其反射吸收。二極管陣列發(fā)出的泵浦光從 3 個(gè)不同方向進(jìn)入到 Nd:YAG 圓棒中。

2004年英國(guó)Y. Jeong 等利用兩個(gè)半導(dǎo)體激光器疊陣通過透鏡耦合雙端面抽運(yùn)芯徑為40μm，內(nèi)包層為600μm的雙包層光纖獲得1.01kW，波長(zhǎng)為1090nm，光束質(zhì)量因子M2=3的光纖激光輸出，并于同年年底研制成功1.36 kW連續(xù)光纖激光器。

2004年，中科院研制了雙棒串接的二極管泵浦Nd:YAG激光器，輸出功率達(dá)1.15kW。5個(gè)相同的二極管陣列均勻地排列在Nd:YAG棒周圍，進(jìn)行泵浦，以實(shí)現(xiàn)泵浦均勻性。采用雙棒串接時(shí)，在兩根棒之間插入90℃石英旋光片以改善光束質(zhì)量。2006年4月中科院半導(dǎo)體所采用自行研制的高功率激光頭，通過雙棒串接獲得超過3 kW的全固態(tài)激光輸出。同年十月獲得3.8KW激光輸出。

2005年美國(guó)H. Bruesselbach等報(bào)道單根Yb:YAG激光棒輸出2.65 kW的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)所采用的Yb:YAG棒為一復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中摻雜濃度為0.6 at.%的部分直徑為4mm，長(zhǎng)80mm，兩端各有一段直徑6mm，長(zhǎng)24mm的非摻雜YAG晶體。

2007年6月中科院半導(dǎo)體所采用三棒串接方式，獲得6 kW高功率全固態(tài)激光輸出，光光轉(zhuǎn)換效率過50%。 2008年美國(guó)的IPG公司已可提供單模3 kW，多模50kW的光纖激光器產(chǎn)品。

國(guó)內(nèi)二極管泵浦固體激光器的研究也十分活躍，上海光機(jī)所、中科院物理所、半導(dǎo)體所、清華大學(xué)、天津大學(xué)、四川大學(xué)、山東大學(xué)、長(zhǎng)春光機(jī)所、華中科技大學(xué)等單位先后開展了二極管泵浦固體激光器的研究，均取得了一系列成果。但是國(guó)產(chǎn)的半導(dǎo)體泵浦高功率激光器在工業(yè)應(yīng)用上還不是十分廣泛。